Технические характеристики визуализации с двумя контрастными агентами на основе K-края при использовании четырёх энергетических порогов на коммерческой КТ-системе с фотон-счётным детектором

Введение: КТ с фотон-счётным детектором (PCD-CT) позволяет разделять зарегистрированные рентгеновские фотоны более чем на два энергетических диапазона и выполнять многоматериальную декомпозицию с использованием материалов с K-краем без дополнительных математических ограничений и допущений. Наличие нескольких энергетических порогов в PCD-CT открывает возможности для уникальных клинических применений, включая одновременную визуализацию нескольких контрастных агентов.

Цель: Оценить технические характеристики системы PCD-CT с четырьмя энергетическими порогами при многоматериальной декомпозиции йода, гадолиния и воды после комплексной калибровки системы.

Методы: Эксперименты выполняли на коммерческом КТ-сканере с фотон-счётным детектором (NAEOTOM Alpha, Siemens Healthineers) в исследовательском режиме с четырьмя энергетическими порогами. Для калибровки материалов сканировали контрастные вещества известной концентрации, помещённые в цилиндрические водоэквивалентные фантомы разных размеров, при различных значениях силы тока трубки и разных положениях. На основании этих данных для каждого материала методом множественной линейной регрессии до второго порядка строили воксельные модели контрастности; предикторными переменными служили комбинации силы тока трубки, диаметра фантома и расстояния до изоцентра. После калибровки сканировали небольшие однородные мультиэнергетические КТ-фантомы диаметром 20 см, большие фантомы размером 30 × 40 см и антропоморфный фантом грудной клетки размером 31 × 39 см. Каждый фантом содержал кость, мягкие ткани и несколько количественных вставок с йодом (0,2–5,0 мг/мл), гадолинием (0,3–5,0 мг/мл) и смесью обоих веществ (по 5,0 мг/мл). Сканирование выполняли в режиме четырёх энергетических порогов при напряжении 140 кВ; энергетические пороги составляли 20, 52, 75 и 82 кэВ. Изображения для каждого энергетического порога реконструировали методом фильтрованной обратной проекции с использованием количественного ядра (Qr44). Затем на отдельных вокселях изображений для каждого энергетического порога выполняли декомпозицию материалов на основе изображений, используя модели, полученные при калибровке, и формировали базисные изображения воды, йода и гадолиния. Измеряли количественные концентрации материалов, величину шума изображений и спектры мощности шума (NPS).

Результаты: Концентрации йода и гадолиния выше 1,25 мг/мл визуализировались на базисных изображениях материалов во всех фантомах. Средняя количественная точность определения йода и гадолиния в малом, большом фантомах и фантоме грудной клетки составила соответственно 0,39 ± 0,30, 0,96 ± 0,53 и 0,53 ± 0,35 мг/мл. В базисных изображениях воды точность во всех фантомах находилась в пределах 24 HU. В малом фантоме величина шума на базисных изображениях йода и гадолиния была в 2,91 и 3,52 раза выше, чем на изображении с самым низким энергетическим порогом; в большом фантоме — в 6,92 и 7,17 раза выше соответственно. Согласно данным NPS, текстура шума не изменялась при переходе от изображений с энергетическими порогами к базисным изображениям материалов ни в одном из фантомов.

Выводы: После комплексной калибровки коммерческая система PCD-CT с четырьмя энергетическими порогами обеспечивала многоматериальную декомпозицию йода, гадолиния и воды при концентрациях выше 1,25 мг/мл в фантомах, соответствующих размерам человеческого тела. Усиление шума и количественная точность декомпозиции в значительной степени зависели от размера объекта.